Khoa học

Lá nhân tạo giúp các nhà nghiên cứu tiến hành biến các photon thành nhiên liệu

Lá nhân tạo giúp các nhà nghiên cứu tiến hành biến các photon thành nhiên liệu

Bên ngoài Viện Công nghệ California, cây và hoa đang vươn lá và đưa rễ xuống sâu hơn trong lòng đất. Chúng đang sử dụng năng lượng để lưu trữ đường và đối với chúng, quá trình quang hợp diễn ra dễ dàng. Trong khi đó bên trong phòng thí nghiệm Caltech Jorgensen, hơn 80 nhà nghiên cứu đang nỗ lực rất nhiều để tạo ra một chiếc lá nhân tạo và làm những gì mà lá cây đang làm một cách dễ dàng. Họ đang làm điều này bằng cách sử dụng niken, sắt, silicon và nhiều vật liệu khác mà bạn thường kết hợp với việc sử dụng trong điện thoại di động hơn là với tế bào thực vật.

[Nguồn ảnh:Viktor Koen]

Phòng thí nghiệm là nơi có Trung tâm chung về Quang hợp Nhân tạo. Đây là một chương trình nghiên cứu với sự tham gia của hơn 190 người, được tài trợ bởi 116 triệu đô la Mỹ trong một khoảng thời gian năm năm từ Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Mục tiêu của trung tâm và các nhà nghiên cứu là tận dụng ánh sáng mặt trời và tạo ra hydro cùng với các nhiên liệu khác hiệu quả hơn nhiều mà lá cây trong tự nhiên tạo thành sinh khối.

Các nhà nghiên cứu đang thực hiện mục tiêu này với cảm giác cấp bách. Xung quanh 13% lượng khí thải trên toàn cầu khí nhà kính đến bằng cách vận chuyển. Do đó, một trong những mục tiêu chính là loại bỏ dần các nhiên liệu gây ô nhiễm. Một cách để làm điều này là thay thế xe tải nhẹ và ô tô bằng các loại xe chạy bằng điện lấy từ gió hoặc pin mặt trời. Tuy nhiên, điều này sẽ không đủ để giải quyết toàn bộ vấn đề. Giám đốc khoa học JCAPs và nhà hóa học vô cơ tại Đại học Caltech, Nathan Lewis, nói rằng xung quanh 40% phương tiện giao thông của thế giới không thể chạy bằng điện. Chủ yếu là do một số phương tiện như máy bay không thể cắm điện vì chúng sẽ không thể chứa đủ lượng pin cần thiết.

Do đó, các cơ quan tài trợ từ khắp nơi trên thế giới đang sử dụng nhiều nguồn lực để cố gắng tạo ra nhiên liệu từ sức mạnh của mặt trời. Loại năng lượng này sẽ không cạn kiệt và nó không có carbon, đó là những phần thưởng. JCAP đã cam kết cung cấp một nguyên mẫu hoạt động như một chiếc lá nhân tạo trước khi khoản tài trợ hết hạn vào năm 2015.

Michael Wasielewski, một nhà hóa học tại Đại học Northwestern ở Evanston, Illinois cho biết, “Nếu bạn có thể duy trì kiểu nỗ lực này trong mười năm tới, bạn có thể tưởng tượng được rằng bạn có thể có một giải pháp thiết thực.

Quang hợp nhân tạo không phải là một cái gì đó quá mới mẻ, trên thực tế nó quay trở lại 1912tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã không bắt đầu thúc đẩy mọi thứ cho đến khi bắt đầu 1972. Các nhà nghiên cứu ở Nhật Bản đã vạch ra những gì cần thiết để một thiết bị có thể tiếp nhận ánh sáng mặt trời và sau đó sử dụng ánh sáng mặt trời đó để có thể tách nước thành oxy cùng với nhiên liệu hydro.

Nó đã ở trong đó 1998 khi một hệ thống hoàn chỉnh cho thấy một bước đột phá và tiến bộ lớn. Đây là lúc nó có thể lưu trữ 12% năng lượng mặt trời đi vào, làm nhiên liệu. Điều này so với 1% năng lượng được lưu trữ trong lá thật dưới dạng sinh khối. Nhược điểm là chi phí quá cao để có thể cạnh tranh. Cùng với điều này, người ta nói rằng hiệu suất giảm sau ánh nắng mặt trời của 20 giờ.

Lewis chỉ ra rằng để một chiếc lá nhân tạo thành công thì cần có ba điều. “Bạn muốn nó hiệu quả, rẻ và mạnh mẽ. Tôi có thể cho bạn bất kỳ hai ngày hôm nay, nhưng không phải thứ ba cùng một lúc.”

Mục tiêu của JCAP là khắc phục vấn đề này và cùng với đó, tạo ra một hệ thống rẻ hơn rất nhiều so với việc tách nước thành điện bằng cách sử dụng các tấm pin mặt trời. Câu trả lời của họ là hai điện cực mà họ nhúng vào dung dịch nước. Mỗi điện cực này có vật liệu bán dẫn được chọn để thu nhận ánh sáng từ một phần của quang phổ mặt trời cùng với việc được phủ một lớp xúc tác để giúp tạo ra oxy hoặc hydro ở tốc độ hữu ích. Cũng giống như với bất kỳ thiết bị quang hợp nhân tạo nào, hệ thống mà JCAP đưa ra đã được phân chia bởi một lớp màng để đảm bảo rằng các khí tạo ra được tách biệt và không trở thành nguy cơ gây ra phản ứng nổ.

Lewis giải thích rằng việc chế tạo bất kỳ thành phần nào của lá nhân tạo đều là một thách thức lớn. Anh ấy nói “Điều này giống hệt như chế tạo một chiếc máy bayBạn không chỉ có một động cơ, bạn phải có một thiết kế với đôi cánh và thân máy bay, động cơ và hệ thống điện tử hàng không - và cuối cùng, máy bay phải bay.”

Có thể tìm được nguyên liệu chính xác là một trong những điều khó khăn nhất mà họ phải làm. Phòng thí nghiệm Thông lượng Cao của JCAP đã được giao nhiệm vụ giải quyết các vấn đề với vật liệu. Họ đã sửa đổi máy in phun để gửi các hợp kim lên tấm thủy tinh, sau đó họ thử nghiệm như chất hấp thụ quang và chất xúc tác. Các máy in được sửa đổi có thể tạo ra nhiều một triệu điểm mỗi ngày.

Lewis nói rằng “Nguồn năng lượng lớn nhất mà chúng ta có cho đến nay là Mặt trời.Cách tốt nhất để lưu trữ năng lượng khác ngoài hạt nhân của nguyên tử là sử dụng nhiên liệu hóa học. Không thể tránh khỏi ai đó sẽ lấy nguồn lớn nhất và lưu trữ nó một cách dày đặc nhất.”


Xem video: Sự sống nhân tạo sắp thành hiện thực? (Tháng Sáu 2021).